無(wú)刷直流電機是在有刷直流電動(dòng)機的基礎上發(fā)展來(lái)的，具有無(wú)極調速、調速范圍廣、過(guò)載能力強、線(xiàn)性度好、壽命長(cháng)、體積小、重量輕、出力大等優(yōu)點(diǎn)，解決了有刷電機存在的一系列問(wèn)題，廣泛應用于工業(yè)設備、儀器儀表、家用電器、機器人、醫療設備等各個(gè)領(lǐng)域。由于無(wú)刷電機沒(méi)有電刷進(jìn)行自動(dòng)換向，因此需要使用電子換向器進(jìn)行換向。無(wú)刷直流電機驅動(dòng)器實(shí)現的就是這個(gè)電子換向器的功能。
主流的無(wú)刷直流電機的控制方式
目前主要有三種：FOC（又稱(chēng)為矢量變頻、磁場(chǎng)矢量定向控制）、方波控制（也稱(chēng)為梯形波控制、120°控制、6步換向控制）和正弦波控制。那么這3種控制方式都各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？
方波控制
方波控制使用霍爾傳感器或者無(wú)感估算算法獲得電機轉子的位置，然后根據轉子的位置在360°的電氣周期內，進(jìn)行6次換向（每60°換向一次）。每個(gè)換向位置電機輸出特定方向的力，因此可以說(shuō)方波控制的位置精度是電氣60°。由于在這種方式控制下，電機的相電流波形接近方波，所以稱(chēng)為方波控制。
方波控制方式的優(yōu)點(diǎn)是控制算法簡(jiǎn)單、硬件成本較低，使用性能普通的控制器便能獲得較高的電機轉速；缺點(diǎn)是轉矩波動(dòng)大、存在一定的電流噪聲、效率達不到最大值。方波控制適用于對電機轉動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。
正弦波控制
正弦波控制方式使用的是SVPWM波，輸出的是3相正弦波電壓，相應的電流也是正弦波電流。這種方式?jīng)]有方波控制換向的概念，或者認為一個(gè)電氣周期內進(jìn)行了無(wú)限多次的換向。顯然，正弦波控制相比方波控制，其轉矩波動(dòng)較小，電流諧波少，控制起來(lái)感覺(jué)比較“細膩”，但是對控制器的性能要求稍高于方波控制，而且電機效率不能發(fā)揮到最大值。
FOC控制
正弦波控制實(shí)現了電壓矢量的控制，間接實(shí)現了電流大小的控制，但是無(wú)法控制電流的方向。FOC控制方式可以認為是正弦波控制的升級版本，實(shí)現了電流矢量的控制，也即實(shí)現了電機定子磁場(chǎng)的矢量控制。
由于控制了電機定子磁場(chǎng)的方向，所以可以使電機定子磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)時(shí)刻保持在90°，實(shí)現一定電流下的最大轉矩輸出。FOC控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：轉矩波動(dòng)小、效率高、噪聲小、動(dòng)態(tài)響應快；缺點(diǎn)是：硬件成本較高、對控制器性能有較高要求，電機參數需匹配。
哪種方式更適合未來(lái)的發(fā)展？
FOC是目前無(wú)刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高，并且具有高速的動(dòng)態(tài)響應。由于FOC的優(yōu)勢明顯，目前已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式，在運動(dòng)控制行業(yè)中備受矚目。
FOC典型控制框圖如下。為了得到電機轉子的位置、電機轉速、電流大小等信息作為反饋，首先需要采集電機相電流，對其進(jìn)行一系列的數學(xué)變換和估算算法后得到解耦了的易用控制的反饋量。然后，根據反饋量與目標值的誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，最終輸出3相正弦波驅動(dòng)電機轉動(dòng)。
FOC按照電機有無(wú)傳感器來(lái)區分可以分為有傳感器FOC和無(wú)傳感器FOC。
對于有傳感器FOC，由于電機的傳感器（一般為編碼器）能反饋電機轉子的位置信息，因此在控制中可以不使用位置估算算法，控制起來(lái)相對無(wú)傳感器FOC簡(jiǎn)單，但是對帶傳感器的電機應用來(lái)說(shuō)，往往對控制性能要求較高。
對于無(wú)傳感器FOC，由于電機不帶任何傳感器，因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單讀取傳感器的測量值來(lái)得到電機轉子的位置信息，所以在控制中需要通過(guò)采集電機相電流，使用位置估算算法來(lái)計算轉子位置。雖然無(wú)感FOC的控制難度較大，但是它可以避免傳感器故障的風(fēng)險，并且省去了傳感器的成本，同時(shí)簡(jiǎn)化了電機與驅動(dòng)板間的布線(xiàn)。目前，無(wú)感FOC多應用在風(fēng)機類(lèi)的場(chǎng)合中。
深度剖析無(wú)刷電調以及FOC控制難點(diǎn)
為了更好的了解無(wú)刷電機的控制方式，我們準備了一臺無(wú)人機進(jìn)行拆解，將會(huì )對它的電機進(jìn)行一個(gè)深度剖析。 |
